趙海濤，劉晶晶

(中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司)

1 傳輸通道問題

隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)通信通道的安全、穩(wěn)定和可靠是保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件。通信傳輸通道主要有以下幾種。

(1)利用隧道PLC設(shè)備提供的串行通信通道(RS232、RS485)。

由于近幾年來隧道內(nèi)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸形式主要為“工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+PLC”的形式，PLC主要負責(zé)現(xiàn)場控制并為控制區(qū)域內(nèi)設(shè)備提供不同的數(shù)據(jù)接口，工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)主要負責(zé)經(jīng)PLC匯集后數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠傳輸。當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障無法實現(xiàn)通信時，PLC可以對區(qū)域內(nèi)的設(shè)備進行預(yù)編程的控制。PLC為區(qū)域內(nèi)設(shè)備可提供串行通信通道(RS232、RS485)，電力監(jiān)控終端設(shè)備可以接至就近PLC的串行接口上，從而利用已建成的隧道內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將電力監(jiān)控數(shù)據(jù)直接上傳。

這樣隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)最有效的節(jié)約了投資，利用了已建成的通信資源。同時，電力監(jiān)控數(shù)據(jù)還可以與隧道內(nèi)配電、照明控制數(shù)據(jù)結(jié)合，提供完整的多層次的隧道電力監(jiān)控。但這種數(shù)據(jù)傳輸方式也有著其局限性：首先，目前中短隧道內(nèi)一般不設(shè)置PLC，這就造成擁有長短不同的隧道的高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)可能擁有兩種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式;其次，隧道電力監(jiān)控數(shù)據(jù)與其他監(jiān)控數(shù)據(jù)匯集后傳輸，再在監(jiān)控中心分別解出。那么故障點的增多以及隧道電力監(jiān)控成為隧道監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)，無法獨立完成電力監(jiān)控任務(wù)，這些因素均可能導(dǎo)致電力監(jiān)控數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失或損壞。而且電力監(jiān)控設(shè)備需要與PLC設(shè)備及隧道監(jiān)控設(shè)備統(tǒng)一協(xié)議，這種通信方式對技術(shù)的開放性及監(jiān)控系統(tǒng)的選擇都有很大的限制。采用這種方式，電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸通道帶寬十分有限，適合于電力設(shè)備較少的變電所，這樣的變電所監(jiān)控數(shù)據(jù)很少，9.6kbps的通信速率即可滿足電力監(jiān)控要求。對于大型隧道變電所，供電回路、電力設(shè)備無論從數(shù)量還是種類都比較多，采用這樣的方式很難滿足要求。

(2)利用隧道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)通道。

這種方式是不利用PLC的區(qū)域控制功能，僅利用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)提供的傳輸功能，直接將電力監(jiān)控終端設(shè)備接入附近工業(yè)以太網(wǎng)交換機上，這樣就避開了PLC，但也無法利用PLC進行現(xiàn)場控制。在監(jiān)控中心直接從以太網(wǎng)交換機中提取出電力監(jiān)控數(shù)據(jù)。在盡量節(jié)約投資利用已有通信資源的情況下，這種方法盡量避免了電力監(jiān)控數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的相互干擾，減少了部分節(jié)點設(shè)備，也相應(yīng)提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。同時，也減小了病毒感染風(fēng)險。但這種方法同樣無法解決終端隧道電力監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸。

(3)利用通信系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)通信通道(TCP/IP/UDP)。

近幾年來交通工程中實施的電力監(jiān)控系統(tǒng)多數(shù)采用的通信方式為第一種，即利用三大系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)通信通道(TCP/IP/UDP)。這種方式下，只需要將隧道內(nèi)所有的設(shè)備信息集中到一個帶以太網(wǎng)接口的通信設(shè)備上即可完成與電力監(jiān)控系統(tǒng)中心的通信。

這樣，電力監(jiān)控共享了通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通道資源，能節(jié)約部分投資，不必為電力監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸通道建設(shè)額外投資。一般采用這種通信方式需要注意以下兩點事項。

①通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)段劃分，通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)為電力監(jiān)控系統(tǒng)劃分統(tǒng)一的獨立網(wǎng)段，做到在網(wǎng)絡(luò)邏輯上電力監(jiān)控使用的是單獨的網(wǎng)段，以避免其他系統(tǒng)的干擾和侵入。提高通信系統(tǒng)和電力監(jiān)控通信的可靠性、安全性。一般情況網(wǎng)段劃分工作由通信系統(tǒng)負責(zé)，并保證沿線各處處于電力監(jiān)控通信網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)接口相互通信正常。

②最后1 km的問題。在高速公路機電工程中，隧道變電所、箱變等電力設(shè)備安裝處與通信機房、通信預(yù)留點往往不在一個地方。通信系統(tǒng)預(yù)留給電力監(jiān)控的通信網(wǎng)絡(luò)接口，電力監(jiān)控不能直接連接網(wǎng)絡(luò)電纜使用，需要另外敷設(shè)光纜、設(shè)置光纖收發(fā)器解決這個問題，這將造成通信資源的浪費;且如果路段內(nèi)隧道較多，隧道變電所、箱變分布較為分散，與通信站的距離又較遠的情況下，其經(jīng)濟型與可靠性將大大降低。因此，在施工圖設(shè)計、聯(lián)合設(shè)計、工程量統(tǒng)計、管線管道設(shè)計時候應(yīng)該充分考慮這個問題，避免在施工最后階段發(fā)現(xiàn)電力監(jiān)控不能直接連接到預(yù)留網(wǎng)絡(luò)接口處，造成耽誤工期、漏報工程量的麻煩。

上述兩點在電力監(jiān)控與通信系統(tǒng)不屬于一家承包人負責(zé)時候應(yīng)當(dāng)尤為注意，做到提前溝通、及時溝通，為施工調(diào)試做好充分準備。

(4)單獨組網(wǎng)的方式。

在部分交通工程項目中，根據(jù)實際情況，采用電力監(jiān)控系統(tǒng)本身單獨組網(wǎng)的方式。這種方式的最大好處是電力監(jiān)控通信系統(tǒng)本身是一個完全獨立的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生病毒原因或網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴造成系統(tǒng)癱瘓的可能性幾乎為0。這樣電力監(jiān)控的運行可靠性、安全性較好。

電力監(jiān)控單獨組網(wǎng)，需要電力監(jiān)控系統(tǒng)的承包人單獨敷設(shè)光纜，或利用通信系統(tǒng)光纜內(nèi)的纖芯，電力監(jiān)控系統(tǒng)單獨光纖以太網(wǎng)交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，造價較高，電力監(jiān)控系統(tǒng)投資較多。這種配置方式，電力監(jiān)控與其他機電系統(tǒng)相關(guān)的交叉界面較少，無論是設(shè)計還是施工調(diào)試階段都只有光纖情況的溝通問題，也不會相互干擾。電力監(jiān)控設(shè)計、聯(lián)合設(shè)計、施工、調(diào)試等工期、進度都在自身的控制之中。采用這樣的方式，電力監(jiān)控設(shè)計施工時要考慮最后1 km的問題，通信工程預(yù)留光纖開斷位置往往距離電力監(jiān)控需求點有一段距離，電力監(jiān)控設(shè)計、施工時要考慮這一段分支光纜的光纜及光纜工程問題。

2 電力監(jiān)控系統(tǒng)與隧道變電站站內(nèi)的通信

2.1 采用PLC方式

PLC即可編程控制器，是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。目前隧道監(jiān)控系統(tǒng)一般均在隧道變電站設(shè)置了PLC設(shè)備，隧道電力監(jiān)控系統(tǒng)可就近利用該設(shè)備。

現(xiàn)在常見的PLC產(chǎn)品在電力監(jiān)控系統(tǒng)中作為中間層的情況還并不多見。主要有如下兩個主要原因限制了它的應(yīng)用。

首先，由于PLC產(chǎn)品的目的是處理數(shù)字量、模擬量及控制功能，而在交通工程中，最重要的功能是與各種采用各種協(xié)議的智能設(shè)備通信。誠然，現(xiàn)在有些PLC產(chǎn)品已經(jīng)具備了與帶有Modbus協(xié)議的設(shè)備通信的能力，但是現(xiàn)在的交通工程中有大量非標協(xié)議的產(chǎn)品，在碰到這類產(chǎn)品時，PLC產(chǎn)品就捉襟見肘。同時PLC所提供的串口數(shù)據(jù)帶寬較小，也不能滿足擁有較多電力設(shè)備及較多供電回路的大型隧道變電站的需求。

其次，PLC與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議需要采用部分PLC廠家自定義的協(xié)議，這種通信方式對技術(shù)的開放性及監(jiān)控系統(tǒng)的選擇都有很大的限制。

2.2 串口服務(wù)器

串口服務(wù)器，是異步串行口(RS-232、RS-422/485)和以太網(wǎng)RJ45接口間的一個轉(zhuǎn)換器，是一個帶有CPU和嵌入式OS及完整TCP/IP協(xié)議棧的獨立智能設(shè)備，能夠完成RS-232/422/485格式和以太網(wǎng)傳輸?shù)腎P包之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而給傳統(tǒng)的串行設(shè)備增加聯(lián)網(wǎng)功能。

串口服務(wù)器完成的是一個面向連接的RS-232、RS-485鏈路和以太網(wǎng)之間的通信數(shù)據(jù)的存儲控制，系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)進行處理，處理來自串口設(shè)備的串口數(shù)據(jù)流，并進行格式轉(zhuǎn)換，使之成為可以在以太網(wǎng)中傳播的數(shù)據(jù)幀;對來自以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀進行判斷，并轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送達響應(yīng)的串口設(shè)備。

它和通信管理機之間最大的軟件差別在于終端服務(wù)器本身不對數(shù)據(jù)作任何處理，所有的數(shù)據(jù)處理均需要后臺系統(tǒng)完成。

在硬件的接口方面，通常使用的串口服務(wù)器只有單類型的接口，如16個RS-232、16個 RS-422/485，但是在實際應(yīng)用中，往往是多個RS-232及多個RS-422/485接口，甚至于CAN接口的智能終端。另外，光纖接口的缺乏要求現(xiàn)場配備光纖以太網(wǎng)交換機或光纖以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，既增加了費用又多了通信上的環(huán)節(jié)，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行增加了不確定因素。

隨著設(shè)備的不斷更新，目前電力監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)擁有了多種數(shù)據(jù)接口，設(shè)備直接利用以太網(wǎng)接口傳輸數(shù)據(jù)也減少了串口服務(wù)器的利用情況。

2.3 通信管理機

通信管理機是目前交通工程中作為中間層使用最多最頻繁的通信設(shè)備。它需要能夠隨時建立網(wǎng)絡(luò)通信通道、進行數(shù)據(jù)傳送，能夠在子站的終端設(shè)備和裝置之間提供同步和異步連接，并且在任何時候都可以將消息進行傳送或存儲轉(zhuǎn)發(fā)，這種基于數(shù)據(jù)庫傳遞的系統(tǒng)可節(jié)省大量資源，適用于與各種智能終端設(shè)備連接。

作為電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器，通信管理機不僅需要能夠提供多個串行接口RS-232/485/422/CAN與網(wǎng)絡(luò)接口之間的相互轉(zhuǎn)換，還需要至少提供IEC60870-5-101/103、DNP3.0、CDT、MODBUS 等多種 485/232 通訊協(xié)議，同時支持TCP/IP、MODBUS/TCP等以太網(wǎng)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。并滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范的路由器(Router)和防火墻(Firewall)功能，可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸和對系統(tǒng)進行遠程維護，并提供兩路光纖以太網(wǎng)接口，直接支持光纖以太網(wǎng)自愈環(huán)網(wǎng)。

采用通信管理機的優(yōu)點是將站內(nèi)不同接口、不同協(xié)議的各種設(shè)備做預(yù)處理，轉(zhuǎn)換為后臺計算機系統(tǒng)可快速處理的同類型數(shù)據(jù)，提高后臺系統(tǒng)的處理效率。帶有操作系統(tǒng)支持編程的通信管理機可內(nèi)置一些預(yù)置策略，在整個網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障時，可以按照預(yù)置的策略作相應(yīng)的控制。

2.4 站內(nèi)設(shè)置計算機的方式

這種方式是在站內(nèi)設(shè)置一臺工控機作為中間層來負責(zé)與站內(nèi)設(shè)備、監(jiān)控計算機的上下通信。作為一個需要一天24 h不間斷運行的監(jiān)控系統(tǒng)，對工控機的要求就比較苛刻。

由于隧道變電站部分現(xiàn)場環(huán)境一般較為惡劣，例如一些箱式變電站在夏天的溫度可超過70℃。還有工控機長時間運行，受到操作系統(tǒng)、硬件損壞(硬盤和風(fēng)扇最為明顯)的影響出現(xiàn)死機等情況，導(dǎo)致該站的所有數(shù)據(jù)無法傳送到監(jiān)控計算機，影響監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

從多年的現(xiàn)場實際情況來看，這種運行方式下，站內(nèi)的工控機通常都是整個系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。

3 電力監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)互聯(lián)通信問題

隨著技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備的更新，用戶需求的不斷提高，電力監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的互聯(lián)日益重要。隧道內(nèi)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，相互聯(lián)動的要求更加突出，這也給電力監(jiān)控系統(tǒng)的通信提出了相關(guān)要求，要求電力監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的開放性，可以方便地與其他自動化系統(tǒng)進行通信，如隧道監(jiān)控系統(tǒng)、路段監(jiān)控系統(tǒng)等，實現(xiàn)自動化系統(tǒng)間相互通訊和信息共享。通常系統(tǒng)互聯(lián)有以下幾種常見的方式。

3.1 網(wǎng)絡(luò)方式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

這種互聯(lián)通信的方式是目前最常見也是最便捷的，電力監(jiān)控系統(tǒng)可以采用各種通信協(xié)議，最常用的是Modbus/TCP協(xié)議。

Modbus是一種全開放，免費提供，非常容易理解和實施的協(xié)議，從20世紀70年代誕生以來，一直在不同的工作領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，是一種事實上工業(yè)標準。其主機/從機通信機理能很好地滿足確定性的要求，這恰好與互聯(lián)網(wǎng)的客戶機/服務(wù)器的通信機理相對應(yīng)。它與以太網(wǎng)TCP/IP結(jié)合，在TCP中嵌入Modbus信息幀，成為Modbus TCP/IP，具有很高的性能價格比，是一種真正開放的理想解決方案，試驗表明了它的有效性，眾多的應(yīng)用案例已證明了它在實際應(yīng)用中的價值。

通過Modbus/TCP協(xié)議，電力監(jiān)控系統(tǒng)作為服務(wù)器端，其他系統(tǒng)作為客戶端訪問的方式可以獲得電力監(jiān)控系統(tǒng)中的任意數(shù)據(jù)。隧道監(jiān)控系統(tǒng)需要對電力監(jiān)控系統(tǒng)中的開關(guān)發(fā)遙控命令的時候，電力監(jiān)控可以作為一個執(zhí)行機構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)其下達的遙控命令，大量的實踐證明這種方式是有效、可靠、易實現(xiàn)的。

3.2 串口方式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可采用各種通信協(xié)議

這種互聯(lián)通信的方式是采用串行接口作為通信的介質(zhì)，它與網(wǎng)絡(luò)方式的唯一區(qū)別就是物理上的接口。隨著技術(shù)的發(fā)展，由于通信速率以及接口通用性等因素，這種通信方式必然會被網(wǎng)絡(luò)通信所取代。

3.3 數(shù)據(jù)庫共享方式

數(shù)據(jù)庫共享方式也是一種系統(tǒng)之間互聯(lián)通信的方式，但是在目前的實際應(yīng)用中還并不多見，究其原因，只要有以下幾個方面的問題。

(1)共享服務(wù)器模式限制了某些數(shù)據(jù)庫的特性，例如：不能單獨啟動和關(guān)閉實例，不能進行介質(zhì)恢復(fù)，等等。

(2)存在獨占事務(wù)的可能，因為如果一個會話的事務(wù)運行時間過長，它獨占共享資源，其他用戶只能等待。而且存在人為死鎖的可能，因為它是串行的，只要一個連接阻塞，則該服務(wù)器進程上的所有用戶都被阻塞，并且極可能死鎖。

(3)一般來說，客戶端只需連接一次終身使用(會話生命周期內(nèi))，使用共享服務(wù)器模式的意義不大。因為大部分時間，一個會話就連接到一個服務(wù)器進程，無法共享服務(wù)器進程。

3.4 OPC 接口方式

OPC是Object Linking and Embedding(OLE)for Process Control的縮寫，它是微軟公司的對象鏈接和嵌入技術(shù)在過程控制方面的應(yīng)用。OPC以O(shè)LE/COM/DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)，采用客戶/服務(wù)器模式，為工業(yè)自動化軟件面向?qū)ο蟮拈_發(fā)提供了統(tǒng)一的標準，這個標準定義了應(yīng)用微軟操作系統(tǒng)在基于PC的客戶機之間交換自動化實時數(shù)據(jù)的方法。

采用這項標準后，硬件開發(fā)商將取代軟件開發(fā)商為自己的硬件產(chǎn)品開發(fā)統(tǒng)一的OPC接口程序，而在實際的項目中，系統(tǒng)之間的互聯(lián)更多時候是普通計算機的硬件基礎(chǔ)上的軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。所有OPC接口這種方式還只是一些嘗試。

3.5 WEB 瀏覽方式

隨著信息技術(shù)發(fā)展，基于Web的遠程監(jiān)控技術(shù)逐漸流行，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上可以采用基于瀏覽器服務(wù)的模式，其優(yōu)點是：客戶端只在瀏覽器中就可以瀏覽電力監(jiān)控系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)和各類信息，信息獲取更為簡單;所有的開發(fā)、維護都在服務(wù)器，方便維護;采用超文本協(xié)議，可以進行靜態(tài)、動態(tài)、交互等形式的文字和圖像傳遞。

當(dāng)然這種方式也有一定得局限性，它無法執(zhí)行其它系統(tǒng)對電力監(jiān)控系統(tǒng)中的開關(guān)發(fā)遙控命令，所以這種方式應(yīng)用范圍只能是提供信息服務(wù)，而無法實現(xiàn)真正的相互聯(lián)動。

4 結(jié)束語

對隧道電力監(jiān)控數(shù)據(jù)通信進行了淺顯的分析，實際工程中，電力監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信往往是多種方式相結(jié)合，位于不同位置的多種設(shè)備相互配合共同完成數(shù)據(jù)的通信。同時由于工程實際中存在著管理機構(gòu)設(shè)置情況、環(huán)境因素、習(xí)慣做法、投資情況、技術(shù)更新、相關(guān)其他系統(tǒng)技術(shù)方案等多方面因素，因此隧道電力監(jiān)控工程實際通信時可根據(jù)具體情況和要求，選擇相應(yīng)的通信方式和聯(lián)網(wǎng)方案，以期達到管理運營需求。